Молекулярні основи м’язового скорочення

Укорочення скоротливих елементів м’яза відбувається внаслідок ковзання тонких міофіламентів по товстих. Ширина A-смуг є сталою, тоді як Z-лінії в разі скорочення м’яза зближуються, а під час розтягнення — віддаляються (див. рис. 3-3).

Ковзання у випадку скорочення м’яза виникає, коли головки міозину міцно зв’язуються з актином, шийка міо-зинової молекули згинається, втягуючи актинове волокно в міозинову вилку, а потім відділяється. Інтенсивність ковзання залежить від паралельного гідролізу АТФ. Детально цей процес ще не з’ясовано; він може складатися з декількох кроків, проте загалом цикл є таким, як зображено на рис. 3-6. Велика кількість головок приєднується одночасно, що приводить до максимального скорочення м’яза. Кожен цикл ковзання скорочує саркомер на 10 нм. Тонка нитка контактує з близько 500 міозиновими голівками, кожна з яких у випадку швидкого скорочення м’яза виконує за 1 с близько п’яти повних циклів приєднання-від’єднання від молекули актину.

Процес, унаслідок якого деполяризація м’язового волокна приводить до його скорочення, називають збудливо-скоротливою координацією. Потенціал дії надходить до всіх фібрил у волокні через Т-систему (табл. 3-2). Він спричинює вивільнення Са2+ з термінальних цистерн (мішкоподібних розширень саркоплазматичної сітки, розміщених з боків від Т-системи), а це сприяє скороченню м’яза .

Иони Са2+ ініціюють скорочення, зв’язуючись з тропо-ніном С. Коли м’яз перебуває в стані спокою, тропонін І щільно зв’язаний з актином, а тропоміозин покриває ті сайти, де головки міозину з’єднані з актином. Отже, тропо-нін-тропоміозиновий комплекс є розслаблювальним білком, який інгібує взаємодію між актином та міозином. Коли йони Са, що вивільнились унаслідок поширення потенціалу дії, з’єднуються з тропоніном С, то зв’язок тропоні-

мс

Рис. 3-5. Електричні та механічні відповіді волокон скелетного м’яза ссавців на поодинокі подразнення максимальної сили. Електрична (зміна різниці потенціалів, мВ) і механічна (Т, у довільних одиницях) відповідь показані на графіку зі спільною віссю абсцис (час, мс).

Рис. 3-6. Механізм дії міозину у скелетних м’язах. Головка міозину відділяється від актину (угорі), просувається на декілька нм паралельно до актинового ланцюга і знову приєднується (посередині). Після цього головка молекули міозину згинається на шийці і ковзає вздовж актинового ланцюга, тягнучи за собою всю молекулу. На відстані 3,5 нм від сайта зв’язування з актином є сайт зв’язування АТФ. Гідроліз АТФ відбувається під час ковзання, хоча детальний зв’язок цього процесу з рухом молекул актину та міозину одна щодо іншої ще не з’ясовано (модифіковано з Irving М, Gordman YE; Another step ahead for myosin. Nature 1999;398:463).

ну І з актином значно послаблюється, і внаслідок цього молекули тропоміозину зміщуються вбік (рис. 3-7). Після такого руху оголюються сайти зв’язування з головками міозину. Відбувається розщеплення АТФ і скорочення волокон. Зв’язування однієї молекули тропоніну з йоном Са2+ приводить до оголення семи сайтів зв’язування міозину.

Відразу ж після вивільнення Са2» саркоплазматична сітка починає відновлювати його запас шляхом активного транспортування в довгасту частину сітки. Цей процес виконує помпа Ca2«-Mg2--ATO-a3a. У подальшому Са2+ шляхом дифузії переходить у термінальні цистерни, де й зберігається до наступного потенціалу дії. Якщо концентрація Са2» за межами сітки значно зменшується, то хімічна взаємодія між міозином та актином припиняється, і м’яз

ЗБУДЛИВА ТКАНИНА: М’ЯЗОВА / 63

Таблиця 3-2. Послідовність явищ у разі скорочення і розслаблення скелетних м’язів

Скорочення1

(1) Поява імпульсу в руховому нейроні

(2) Вивільнення ацетилхоліну у кінцевій пластинці

(3) Зв’язування ацетилхоліну з нікотиновими ацетилхоліновими рецепторами

(4) Збільшення проникності мембрани кінцевої пластинки до Na+ і К+

(5) Утворення потенціалу кінцевої пластинки

(6) Утворення потенціалу дії в м’язових волокнах

(7) Поширення деполяризації у Т-трубках

(8) Вивільнення Са2+ з термінальних цистерн саркоплазматичної сітки і дифузія його в товсті і тонкі волокна

(9) Зв’язування Са2+ з тропоніном С, оголення ділянок зв’язування міозину з актином

(10) Утворення перехресних зв’язків між актином та

міозином і ковзання тонких волокон по товстих, що спричинює вкорочення м’яза Розслаблення

(1) Са2+ повертається в саркоплазматичну сітку

(2) Вивільнення Са2+, що був зв’язаний з тропоніном

(3) Припинення взаємодії між актином і міозином

1 Явища 1 -4 описані в Розділі 4.

розслаблюється. Зазначимо, що АТФ забезпечує енергією процеси як скорочення, так і розслаблення. Якщо транспортування Са2+ у саркоплазматичній сітці пригнічене, то розслаблення не відбувається навіть у разі, коли нема потенціалів дії. Постійне тривале скорочення м’яза, що виникає внаслідок цього, називають контрактурою.

Саркоплазматична сітка унаслідок деполяризації мембрани Т-трубочок активується завдяки дигідропіридино-

вим рецепторам, які є потенціалозалежними Са2+-кана-лами в мембрані Т-трубок. У міокарді надходження Са2+ через ці канали приводить до вивільнення Са2+, що міститься в саркоплазматичній сітці, проте в скелетних м’язах надходження Са2» з ПКР не обов’язкове для такого вивільнення. Замість цього дигідропіридинові рецептори відіграють роль електричного реле, яке регулює надходження Са2+ з розташованої поряд саркоплазматичної сітки. Дигідропіридинові рецептори одержали назву від медикаментозного препарата-дигідропіридину, який, власне, блокує їх. Такий рецептор має чотири гомологічні ділянки, кожна з яких перетинає Т-трубку шість разів. Канал Са2^ саркоплазматичної сітки, відкриття якого забезпечує викидання йонів Са2«, не є потенціалозалежним; його названо ріанодино-вим рецептором, тому що його блокує рослинний алкалоїд ріанодин. Він тісно пов’язаний з ІФ3-рецептором — ліґанд-ним Са2’-каналом, який, зв’язуючись з ІФ3, забезпечує надходження Са2+ в цитоплазму з ендоплазматичної сітки (див. Розділ 1).

Процеси, що забезпечують скорочення та розслаблення м’яза, наведені в табл. 3-2.

Типи скорочень

Під час скорочення м’язів зменшується довжина скоротливих елементів, та оскільки м’язи містять як еластичні, так і в’язкі елементи, то скорочення може відбуватись без значного зменшення загальної довжини м’яза (рис. 3-8А). Таке скорочення називають ізометричним (від гр. isos -сталий, metros — довжина). Скорочення м’яза у разі сталого навантаження із наближенням його кінців називають ізотонічним (від гр. isos — сталий, tonus — напруження). Оскільки робота є добутком сили на відстань, то у випадку ізотонічного скорочення виконується робота, тоді як у разі ізометричного — ні. В інших випадках м’язи під час скорочення можуть виконувати негативну роботу. Це відбува-

Рис. 3-7. Ініціація м’язового скорочення за допомогою Са2+. Коли Са2+ зв’язується з тропоніном С, тропоміозин зміщується латерально, оголюючи сайт зв’язування міозину з актином (темна ділянка). Згодом відбувається зв’язування головки міозину, гідроліз АТФ та зміна конфігурації головки і шийки молекули міозину. Для зручності показано лише одну з двох головок молекули міозину-ІІ.

64 / РОЗДІЛ З

ється, наприклад, унаслідок опускання важких предметів. У цьому разі м’язи активно опираються опусканню предмета, проте в кінцевому підсумку видовжуються, незважаючи на їхнє скорочення.

Вільям Ф. Ґанонґ. Фізіологія людини